基于DSP的能量回馈型交流电子负载的研究
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的两 级 电 压 型 PWM 整 流 器 ( VSR - Voltage Source Rectifier)为核心构成 。前级 PWM 整流器经电感 L1接 被试电源构成负载特性模拟部分 ; 后级 PWM 整流器 经电感 L2 、隔离变压器 T1接电网 ,构成能量回馈部分 。 被测试交流电源接电子负载的输入端口 ab。
Telecom Power Technologies Jan. 25, 2008 , Vol. 25 No. 1
图 4 输入信号的周期的计算
以满足宽变频范围的交流电源的测试要求 。
Key words: AC electrical load; energy recycling; PWM rectifier
0 引 言
各类交流电源产品在研发和生产过程中都需要进 行带载实验 ,以检验其电气性能和质量 。传统的负载 由电阻 、电感和电容等无源元件组成 。这种负载存在 以下缺点 :参数的大小不能连续调节 ;负载的大小不稳 定 ,会随温度的变化而变化 ;电能全部以热能的形式消 耗掉 ;体积庞大 ,需要专门的通风设备 ;没有测试记录 , 无法通过计算机监控 ;尤其对变频电源模拟不同功率 因数下的负载十分复杂和困难 。交流电子负载可以有 效地克服这些缺点 ,它是一种可以模拟各种不同负载 特性的电力电子装置 ,适用于各种交流电源的老化 、寿 命测试和功能性测试 。按照测试的要求 ,电子负载可 以配置成多种工作模式 ,如 :恒定电流 、恒定电阻以及 恒定功率模式 。不仅能够模拟阻性负载 ,还可以模拟 任意功率因数的感性和容性负载 。为了避免能源的浪 费 ,交流电子负载将被试电源发出的电能回馈电网循
收稿日期 : 2007 208226 作者简介 : 杨 超 (19832) ,男 ,江西人 ,硕士生 ,研究方向为电 源的数字控制技术 。
龚春英 (19652) ,女 ,浙江人 ,教授 ,博士生导师 ,主要从事航空 二次电源变换技术 、电力电子高频变换技术 、电能质量控制技
术等方面的研究 。
图 1 能量回馈型交流电子负载拓扑结构
系统资源少 ,工作稳定可靠等优点 。可以实现多个模块并联工作 ,满足大功率电源测试需求 。仿真和实验结果验证了该
方案的可行性和合理性 。
关键词 : 交流电子负载 ; 能量回馈 ; PWM 整流器
中图分类号 : TM86, TM93
文献标识码 : A
Study on a D SP Controlled AC Electrical Load w ith Energy Recycling
前后两级中的滞环电流控制部分均由模拟电路实 现 ,虚线框中的功能由 DSP实现 ,为一种数模混合型 的控制系统 。通过共用电感电流基准信号 ,可以方便 实现多个电子负载模块并联运行 ,从而更加灵活的配 置整个系统的容量 。可采用上位机通过 RS232 通讯 接口来分配各并联电子负载的工作参数 ,监控整个测
2008年 1月 25日第 25卷第 1期
通信电源技术
Telecom Power Technologies
Jan. 25 , 2008, Vol. 25 No. 1
一的电流瞬时值控制方式 ,通过控制电感电流 IL1的幅 值以及它和输入电压 US之间的相位 ,可以改变电子负 载输入端口 ab的等效阻抗 ,实现模拟不同大小 、不同 性质的负载 。能量回馈部分工作在 DC /AC状态 ,采用 电压电流双闭环来控制输出网侧电流 IL2的大小 、波形 及直流侧母线电压 ,工作在并网逆变状态 ,以单位功率 因数将被测试电源发出的电能回馈电网 。 1. 2 负载特性模拟部分控制策略
Βιβλιοθήκη Baidu
环利用 ,具有很好的节能效果 。 本文首先介绍了系统的拓扑结构和控制策略 ,设
计了一种使用 DSP实现信号相位同步的方法 ,简单有 效 ,只占用较少的系统资源 ,同步的精度又能满足系统 的要求 。最后给出了仿真和实验结果 。
1 拓扑结构和控制策略
1. 1 系统主电路拓扑结构 如图 1所示 ,交流电子负载以具有公共直流母线
输入信号周期的计算方法如下 : CAP单元的时基定 时器 T从 0 开始一直计数到 0xFFFF,清零后继续下一 个周期的计数 ,即工作在连续递增的计数模式。其中 , 相邻两次计数之间所相隔的时间为 TN 。假设当前进入 CAP中断的时刻定时器 T的计数值为 C ( K) ,则上一次 进入中断时刻定时器 T的计数值为 C ( K - 1) ;一般情况 下 ,当前计数值 C ( K)要比上一次计数值 C ( K - 1)大 , 如图 4 ( a)所示 。但当 C ( K)和 C ( K - 1 )处于时基计数 器两个不同的周期时 ,会出现当前计数值小于上一次计 数值的情况 ,如图 4 ( b) 。所以 ,先比较 C ( K)和 C ( K 1)的大小 ,分情况计算输入信号的周期值 :
具体的实现方法如下 :正弦信号生成模块采用传 统的查表法 。CAP可以指定 DSP事件管理器中的一 个定时器 T作为它的时基 ,当 CAP检测到方波信号的 上跳沿时 ,便会触发相应的 CAP 中断 。在中断程序 中 ,首先强制查表的指针归零 ,保证输入和输出信号的 过零点相同 ,即相位相同 。读取定时器的计数值 ,并比 较前后两次计数值的大小即可算得输入信号的频率 值 ,然后将该值赋给输出信号的频率值 ,保证输入 、输 出信号的频率相等 。
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
通信电源技术
2008年 1月 25日第 25卷第 1期
杨 超 等 :基于 DSP的能量回馈型 交流电子负载的研究
如图 2所示 ,负载特性模拟部分为电流单环控制 。 首先采样交流输入电压 ,经过过零检测电路后产生的 方波信号送入 DSP的捕获口 ( CAP)作为相位同步信 号 。DSP内部通过软件生成一个与交流输入电压同频 率且相位 、幅值可调的正弦基准电流信号 IREF , 通过 D /A 芯片转换为模拟信号输出 。采用滞环电流控制 技术实现电感电流对基准电流的实时跟踪 。通过改变 基准电流给定相位 θ的大小 ,可以调节电感电流 IL1与 输入电压 US之间相位 ,实现模拟不同功率因数 (变化 范围可从 - 1 ～ + 1 )负载的功能 ,而通过调节基准电 流给定幅值 A 的大小可以改变所模拟负载的大小 。 通过外部的显示和键盘接口设定工作模式 、负载大小 及功率因数 ,经过运算可得到基准电流幅值 A 和相位 θ的大小 。
YANG Chao, GONG Chun2ying (Aero2Power Sci2Tech Center, Nanjing University of Aeronautics & A stronautics, Nanjing 210016, China )
Abstract: For saving energy and reducing cost of the burn - in test of AC power source, an AC electrical load using energy re2 cycling method is studied in this paper. Under the control of latest TM S320F2812 DSP, the input port of AC electrical load can ac2 curately simulate the specified impedance and the testing energy can be feedback to the utility grid w ith unit power factor. The main topology which consists of two - stage voltage source PWM rectifier has an AC /DC /AC structure. A DSP based control strategy of the AC electrical load is p roposed. Parallel operation can be achieved simp ly by sharing a common reference current signal. The al2 gorithm of synchronizing two signals is discussed in detail. Simulation and experiment results have shown the effectiveness of the p roposed control strategy.
(1)当 C ( K) > C ( K - 1)时 TS = TN (C ( K) - C ( K - 1 ) )
(2) 当 C ( K) < C ( K - 1) TS = TN (C ( K) + N - C ( K - 1 ) )
3 仿真与实验验证
在 SABER仿真软件中建立系统模型 ,交流侧滤波 电感 1. 6 mH ,直流侧滤波电容取 3 360 μF。图 5 为被 测电源频率分别为 50 Hz和 800 Hz时模拟阻性 以 及感性负载 (功率因数 0. 75 )的仿真波形 ,表明系统可
摘要 : 交流电子负载是一种可以模拟不同负载特性的电力电子装置 ,不仅可以模拟阻性负载 ,还可以模拟任意功率
因数的感性和容性负载 ;同时 ,被测电源发出的电能将以单位功率因数返回电网 。其系统主电路采用 AC /DC /AC的结构 ,
由共用直流母线的两级电压型 PWM 整流器组成 。文章提出了一种数模混和型控制方案 ,该方案具有控制简单 ,占用 DSP
图 2 负载模拟部分控制原理图
1. 3 能量回馈部分控制策略 能量回馈部分采用电压电流双闭环控制 ,如图 3
所示 。通过 DSP上的模数转换模块 (ADC)采样直流 母线电压 ,与基准电压相比较 ,经过比例积分 ( P I)环 节 ,其输出作为内环基准电流的幅值 。由过零检测电 路和 CAP完成基准电流信号与电网电压相位同步的 功能 ,电流内环采用三态滞环控制实现电感电流对基 准电流的实时跟踪 。能量回馈部分在保持直流母线电 压稳定的同时 ,将负载模拟部分输送过来的电能以单 位功率因数反馈电网 。由于直流母线电压含有两倍基 波频率的脉动 [ 1 ] ,采样后需要先经过一级低通滤波环 节 (LPF) 。
·14·
图 3 能量回馈部分控制原理图
试过程 。提高电源测试的自动化程度 ,减少人力成本 。
2 D SP实现相位同步
系统中一个关键问题就是如何实现基准电流信号 与输入电压信号或电网电压信号同步 。DSP上的捕获 单元 (CAP)可以捕捉输入信号的跳变沿 ,只要将输入 的正弦信号转化为方波信号 ,就可以利用 CAP来检测 输入信号的频率和相位 。
通过直接控制交流侧电感电流 ,电压型 PWM 整 流器 (VSR )可以实现四象限运行 [ 1 ] ,能量可以双向流 动 。负载特性模拟部分工作在 AC /DC的状态 ,采用单
·13·
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
2008年 1月 25日第 25卷第 1期
文章编号 : 1009 23664 (2008 ) 01 20013 203
通信电源技术
Telecom Power Technologies
Jan. 25 , 2008, Vol. 25 No. 1
研制开发
基于 DSP的能量回馈型交流电子负载的研究
杨 超 ,龚春英 (南京航空航天大学航空电源重点实验室 ,江苏 南京 210016)
Telecom Power Technologies Jan. 25, 2008 , Vol. 25 No. 1
图 4 输入信号的周期的计算
以满足宽变频范围的交流电源的测试要求 。
Key words: AC electrical load; energy recycling; PWM rectifier
0 引 言
各类交流电源产品在研发和生产过程中都需要进 行带载实验 ,以检验其电气性能和质量 。传统的负载 由电阻 、电感和电容等无源元件组成 。这种负载存在 以下缺点 :参数的大小不能连续调节 ;负载的大小不稳 定 ,会随温度的变化而变化 ;电能全部以热能的形式消 耗掉 ;体积庞大 ,需要专门的通风设备 ;没有测试记录 , 无法通过计算机监控 ;尤其对变频电源模拟不同功率 因数下的负载十分复杂和困难 。交流电子负载可以有 效地克服这些缺点 ,它是一种可以模拟各种不同负载 特性的电力电子装置 ,适用于各种交流电源的老化 、寿 命测试和功能性测试 。按照测试的要求 ,电子负载可 以配置成多种工作模式 ,如 :恒定电流 、恒定电阻以及 恒定功率模式 。不仅能够模拟阻性负载 ,还可以模拟 任意功率因数的感性和容性负载 。为了避免能源的浪 费 ,交流电子负载将被试电源发出的电能回馈电网循
收稿日期 : 2007 208226 作者简介 : 杨 超 (19832) ,男 ,江西人 ,硕士生 ,研究方向为电 源的数字控制技术 。
龚春英 (19652) ,女 ,浙江人 ,教授 ,博士生导师 ,主要从事航空 二次电源变换技术 、电力电子高频变换技术 、电能质量控制技
术等方面的研究 。
图 1 能量回馈型交流电子负载拓扑结构
系统资源少 ,工作稳定可靠等优点 。可以实现多个模块并联工作 ,满足大功率电源测试需求 。仿真和实验结果验证了该
方案的可行性和合理性 。
关键词 : 交流电子负载 ; 能量回馈 ; PWM 整流器
中图分类号 : TM86, TM93
文献标识码 : A
Study on a D SP Controlled AC Electrical Load w ith Energy Recycling
前后两级中的滞环电流控制部分均由模拟电路实 现 ,虚线框中的功能由 DSP实现 ,为一种数模混合型 的控制系统 。通过共用电感电流基准信号 ,可以方便 实现多个电子负载模块并联运行 ,从而更加灵活的配 置整个系统的容量 。可采用上位机通过 RS232 通讯 接口来分配各并联电子负载的工作参数 ,监控整个测
2008年 1月 25日第 25卷第 1期
通信电源技术
Telecom Power Technologies
Jan. 25 , 2008, Vol. 25 No. 1
一的电流瞬时值控制方式 ,通过控制电感电流 IL1的幅 值以及它和输入电压 US之间的相位 ,可以改变电子负 载输入端口 ab的等效阻抗 ,实现模拟不同大小 、不同 性质的负载 。能量回馈部分工作在 DC /AC状态 ,采用 电压电流双闭环来控制输出网侧电流 IL2的大小 、波形 及直流侧母线电压 ,工作在并网逆变状态 ,以单位功率 因数将被测试电源发出的电能回馈电网 。 1. 2 负载特性模拟部分控制策略
Βιβλιοθήκη Baidu
环利用 ,具有很好的节能效果 。 本文首先介绍了系统的拓扑结构和控制策略 ,设
计了一种使用 DSP实现信号相位同步的方法 ,简单有 效 ,只占用较少的系统资源 ,同步的精度又能满足系统 的要求 。最后给出了仿真和实验结果 。
1 拓扑结构和控制策略
1. 1 系统主电路拓扑结构 如图 1所示 ,交流电子负载以具有公共直流母线
输入信号周期的计算方法如下 : CAP单元的时基定 时器 T从 0 开始一直计数到 0xFFFF,清零后继续下一 个周期的计数 ,即工作在连续递增的计数模式。其中 , 相邻两次计数之间所相隔的时间为 TN 。假设当前进入 CAP中断的时刻定时器 T的计数值为 C ( K) ,则上一次 进入中断时刻定时器 T的计数值为 C ( K - 1) ;一般情况 下 ,当前计数值 C ( K)要比上一次计数值 C ( K - 1)大 , 如图 4 ( a)所示 。但当 C ( K)和 C ( K - 1 )处于时基计数 器两个不同的周期时 ,会出现当前计数值小于上一次计 数值的情况 ,如图 4 ( b) 。所以 ,先比较 C ( K)和 C ( K 1)的大小 ,分情况计算输入信号的周期值 :
具体的实现方法如下 :正弦信号生成模块采用传 统的查表法 。CAP可以指定 DSP事件管理器中的一 个定时器 T作为它的时基 ,当 CAP检测到方波信号的 上跳沿时 ,便会触发相应的 CAP 中断 。在中断程序 中 ,首先强制查表的指针归零 ,保证输入和输出信号的 过零点相同 ,即相位相同 。读取定时器的计数值 ,并比 较前后两次计数值的大小即可算得输入信号的频率 值 ,然后将该值赋给输出信号的频率值 ,保证输入 、输 出信号的频率相等 。
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
通信电源技术
2008年 1月 25日第 25卷第 1期
杨 超 等 :基于 DSP的能量回馈型 交流电子负载的研究
如图 2所示 ,负载特性模拟部分为电流单环控制 。 首先采样交流输入电压 ,经过过零检测电路后产生的 方波信号送入 DSP的捕获口 ( CAP)作为相位同步信 号 。DSP内部通过软件生成一个与交流输入电压同频 率且相位 、幅值可调的正弦基准电流信号 IREF , 通过 D /A 芯片转换为模拟信号输出 。采用滞环电流控制 技术实现电感电流对基准电流的实时跟踪 。通过改变 基准电流给定相位 θ的大小 ,可以调节电感电流 IL1与 输入电压 US之间相位 ,实现模拟不同功率因数 (变化 范围可从 - 1 ～ + 1 )负载的功能 ,而通过调节基准电 流给定幅值 A 的大小可以改变所模拟负载的大小 。 通过外部的显示和键盘接口设定工作模式 、负载大小 及功率因数 ,经过运算可得到基准电流幅值 A 和相位 θ的大小 。
YANG Chao, GONG Chun2ying (Aero2Power Sci2Tech Center, Nanjing University of Aeronautics & A stronautics, Nanjing 210016, China )
Abstract: For saving energy and reducing cost of the burn - in test of AC power source, an AC electrical load using energy re2 cycling method is studied in this paper. Under the control of latest TM S320F2812 DSP, the input port of AC electrical load can ac2 curately simulate the specified impedance and the testing energy can be feedback to the utility grid w ith unit power factor. The main topology which consists of two - stage voltage source PWM rectifier has an AC /DC /AC structure. A DSP based control strategy of the AC electrical load is p roposed. Parallel operation can be achieved simp ly by sharing a common reference current signal. The al2 gorithm of synchronizing two signals is discussed in detail. Simulation and experiment results have shown the effectiveness of the p roposed control strategy.
(1)当 C ( K) > C ( K - 1)时 TS = TN (C ( K) - C ( K - 1 ) )
(2) 当 C ( K) < C ( K - 1) TS = TN (C ( K) + N - C ( K - 1 ) )
3 仿真与实验验证
在 SABER仿真软件中建立系统模型 ,交流侧滤波 电感 1. 6 mH ,直流侧滤波电容取 3 360 μF。图 5 为被 测电源频率分别为 50 Hz和 800 Hz时模拟阻性 以 及感性负载 (功率因数 0. 75 )的仿真波形 ,表明系统可
摘要 : 交流电子负载是一种可以模拟不同负载特性的电力电子装置 ,不仅可以模拟阻性负载 ,还可以模拟任意功率
因数的感性和容性负载 ;同时 ,被测电源发出的电能将以单位功率因数返回电网 。其系统主电路采用 AC /DC /AC的结构 ,
由共用直流母线的两级电压型 PWM 整流器组成 。文章提出了一种数模混和型控制方案 ,该方案具有控制简单 ,占用 DSP
图 2 负载模拟部分控制原理图
1. 3 能量回馈部分控制策略 能量回馈部分采用电压电流双闭环控制 ,如图 3
所示 。通过 DSP上的模数转换模块 (ADC)采样直流 母线电压 ,与基准电压相比较 ,经过比例积分 ( P I)环 节 ,其输出作为内环基准电流的幅值 。由过零检测电 路和 CAP完成基准电流信号与电网电压相位同步的 功能 ,电流内环采用三态滞环控制实现电感电流对基 准电流的实时跟踪 。能量回馈部分在保持直流母线电 压稳定的同时 ,将负载模拟部分输送过来的电能以单 位功率因数反馈电网 。由于直流母线电压含有两倍基 波频率的脉动 [ 1 ] ,采样后需要先经过一级低通滤波环 节 (LPF) 。
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图 3 能量回馈部分控制原理图
试过程 。提高电源测试的自动化程度 ,减少人力成本 。
2 D SP实现相位同步
系统中一个关键问题就是如何实现基准电流信号 与输入电压信号或电网电压信号同步 。DSP上的捕获 单元 (CAP)可以捕捉输入信号的跳变沿 ,只要将输入 的正弦信号转化为方波信号 ,就可以利用 CAP来检测 输入信号的频率和相位 。
通过直接控制交流侧电感电流 ,电压型 PWM 整 流器 (VSR )可以实现四象限运行 [ 1 ] ,能量可以双向流 动 。负载特性模拟部分工作在 AC /DC的状态 ,采用单
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2008年 1月 25日第 25卷第 1期
文章编号 : 1009 23664 (2008 ) 01 20013 203
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Telecom Power Technologies
Jan. 25 , 2008, Vol. 25 No. 1
研制开发
基于 DSP的能量回馈型交流电子负载的研究
杨 超 ,龚春英 (南京航空航天大学航空电源重点实验室 ,江苏 南京 210016)